姚立影， 馬金偉， 馬一鳴， 陳 晶， 高 杰， 張向南

（1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070；2.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518）

相較于傳統(tǒng)的管式熱交換器，板式熱交換器具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高及占地面積小等優(yōu)點[1-3]，廣泛應(yīng)用于化工、電力、制冷等行業(yè)，在近幾十年得到了快速發(fā)展。板式熱交換器的主要傳熱元件為波紋板，其結(jié)構(gòu)形式直接影響熱交換器的換熱效率及流動阻力，是提高板式熱交換器傳熱性能同時降低流動阻力[4-5]，實現(xiàn)熱交換器性能最優(yōu)化的重要參數(shù)。近年來越來越多的研究人員利用計算流體力學(xué)軟件對板式熱交換器傳熱板片的換熱性能及流動阻力進(jìn)行了數(shù)值模擬計算[6-8]。

很多學(xué)者對于板式熱交換器的流動及傳熱特性進(jìn)行了大量的數(shù)值研究，但是大多分析的波紋形式為人字形，對于其他類型的板片結(jié)構(gòu)分析的較少。同時，不少學(xué)者在進(jìn)行數(shù)值分析時，給定的邊界條件為恒熱流邊界條件或恒溫邊界條件[9-10]，實際情況應(yīng)為冷、熱流體相互耦合的換熱邊界條件，不符合實際的工程研究不能直接指導(dǎo)工程應(yīng)用。與此同時，大多數(shù)數(shù)值分析采用單流道計算域且計算模型較小，沒有與試驗數(shù)據(jù)作比較?；诖?，本文采用計算流體力學(xué)軟件，對新型板式熱交熱器傳熱元件進(jìn)行傳熱及流動阻力分析，計算模型包括冷、熱流道及波紋板片，模型尺寸與試驗樣機(jī)的尺寸一致，分析冷、熱流體在熱交換器中的流動形態(tài)及換熱情況，將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證數(shù)值模擬的可靠性，為新型板式熱交換器的改進(jìn)及優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

1 計算流體力學(xué)模型建立

1.1 物理模型

板片外形尺寸290 mm×600 mm，波紋深度5 mm，波紋形狀見圖1，板片的材料為不銹鋼 304。采用三維繪圖軟件建立冷、熱雙流道及板片傳熱與流動計算模型，見圖1。圖1中，A為冷流體流道，B為熱流體流道，中間較薄的實體C為熱交換器板片。

圖1 板式熱交換器流道-板片-流道物理模型

1.2 相關(guān)假設(shè)

本次數(shù)值分析中采用水-水換熱，換熱過程為單相換熱[11]，冷、熱流體溫度變化范圍不大，故作以下假設(shè)。

（1）流體為不可壓縮的牛頓流體。

（2）流體的各物性參數(shù)不隨時間變化，為定常態(tài)流動。

（3）浮升力[12]影響忽略不計。

（4）忽略流體流動時由于黏性耗散[13]作用所產(chǎn)生的熱效應(yīng)。

1.3 邊界條件設(shè)置

計算模型分別設(shè)置2個進(jìn)口及2個出口，分別為熱流體進(jìn)、出口及冷流體進(jìn)、出口。進(jìn)口采用速度入口邊界條件，冷流體進(jìn)口溫度為30℃，熱流體進(jìn)口溫度為60℃，出口均設(shè)為壓力出口，參考壓力為大氣壓。外部邊界條件為無滑移速度邊界條件，冷、熱流體接觸的面為內(nèi)部面，其余面設(shè)為絕熱邊界條件[14-15]。

1.4 網(wǎng)格劃分

利用SolidWorks軟件建立模型，通過網(wǎng)格軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于換熱板的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且板片非常薄，因此采用尺寸較小的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并在局部進(jìn)行加密處理，保證流體在局部的流動狀態(tài)能夠被充分體現(xiàn)。

2 板式熱交換器模擬結(jié)果分析

2.1 流道內(nèi)速度場、溫度場、壓力場

2.1.1 速度場

冷側(cè)通道速度流線圖見圖2。冷流體由右上部進(jìn)口流入板間通道，由左下部出口流出板間通道。冷側(cè)通道的結(jié)構(gòu)特點為，相鄰2張板片的傾斜泡交叉接觸在一起，相鄰2張板片的扭曲泡相互分開，在板片扭曲泡的位置形成較大的流通通道。從圖2中可以看出，冷流體由進(jìn)口流入，一部分流體沿著由扭曲泡形成的流體通道流過，一分部流體沿著相鄰2個十字交叉泡中間的截面流過，同時可以發(fā)現(xiàn)，由于慣性作用，流體并未沿著相鄰2個十字交叉泡中間流過，而是偏向于中間靠下的位置，在每個十字交叉泡的下部形成流動死區(qū)。

圖2 冷側(cè)通道速度流線圖

冷側(cè)通道速度矢量圖見圖3，從圖3中可以看出與圖2表現(xiàn)一致的結(jié)果，且流體從由扭曲泡形成的流體通道流過的流量較由十字交叉泡中間截面流過的流量多，在每個十字交叉泡的下部流體速度很小，造成換熱效果差。

圖3 冷側(cè)通道速度矢量圖

熱側(cè)通道速度流線圖見圖4。熱流體由下部熱流體進(jìn)口進(jìn)入板間通道，換熱后由上部熱流體出口流出。熱側(cè)通道的結(jié)構(gòu)特點為，相鄰上下2張板片的扭曲泡相接觸，相鄰上下2張板片的傾斜泡相互分開，形成較大的流通通道。從圖4中可以看出，熱流體由進(jìn)口流入熱流體通道后，幾乎所有的流體沿由傾斜泡構(gòu)成的通道流過，由于相鄰上下2張板片的扭曲泡相接觸，形成了巨大的阻礙作用，流體不能跨越扭曲泡進(jìn)行橫向流動。

圖4 熱側(cè)通道速度流線圖

熱側(cè)通道速度矢量圖見圖5，從圖5中可以看出與圖4表現(xiàn)一致的結(jié)果，同時可以發(fā)現(xiàn)，流體在流過傾斜泡的部位時，一分部流體分別向下和向上翻折到泡頂部，形成局部湍流，增強(qiáng)換熱。分析冷、熱兩側(cè)流體的流動狀態(tài)，結(jié)果顯示冷側(cè)湍動能為0.005 2 m2/s2，熱側(cè)湍動能為 0.002 m2/s2，冷側(cè)流體湍流強(qiáng)度明顯高于熱側(cè)。

圖5 熱側(cè)通道速度矢量圖

2.1.2 溫度場

板片與冷流體通道相接觸的一面溫度分布見圖6。從圖6中可看出，在冷流體入口及出口處，由于流速較高，板片上下兩端溫度較低，中間區(qū)域溫度較高且分布均勻。同時可以看出，由于冷流體大部分介質(zhì)通過扭曲泡所形成的通道，因此在板片扭曲泡的位置溫度較低，而在相鄰傾斜泡之間的位置溫度較高，這主要是因為相鄰傾斜泡之間冷流體流速較低，而熱流體流速較高。

圖6 冷側(cè)壁面溫度分布圖

板片與熱流體通道相接觸的一面溫度分布見圖7。從圖7中可看出，溫度分布與圖6基本保持一致，在2個傾斜泡相接觸的位置溫度較高，這主要是因為該位置與熱側(cè)通道相接觸的一側(cè)有大量流體通過，而與冷流體通道相接觸的一側(cè)幾乎沒有流體通過，因此該位置溫度較高。

圖7 熱側(cè)壁面溫度分布圖

2.1.3 壓力場

冷流體通道中截面壓力分布見圖8。由圖8可知，在流體進(jìn)口處壓降下降較明顯，這是因為該處流體沿板片橫向流過，截面變窄，流速增加，造成較大的壓力損失。

圖8 冷側(cè)流道中截面壓力分布圖

熱流體通道中截面壓力分布見圖9。從圖9中可以看出，在流體流過整個流道過程中，壓降較均勻，在鼓泡區(qū)壓力略高于其他位置，這主要是因為在鼓泡區(qū)位置，流通截面變大，流速降低，壓力升高。

圖9 熱側(cè)流道中截面壓力分布圖

2.2 流動性能分析

2.2.1 數(shù)據(jù)處理公式

式中,qV、qV′為試驗工況下熱、冷流體的體積流量，m3/h；cp、cp′分別為熱、 冷流體的比定壓熱容，J/ （kg·K）；、tin、tout分別為熱流體進(jìn)、 出口溫度，tin′、tout′分別為冷流體的進(jìn)、出口溫度，℃。

平均傳熱系數(shù)K：

式中，A 為板片換熱面積，m2；th′、th＂分別為熱流體進(jìn)、出口溫度，tc′、tc＂分別為冷流體進(jìn)、出口溫度，Δtm為對數(shù)平均溫差，℃。

2.2.2 結(jié)果與分析

（1）傳熱性能 分別計算板間不同流速下的流動與傳熱，熱交換器總傳熱系數(shù)的試驗值和模擬值的變化曲線見圖10。由圖10可知，本文數(shù)值模擬值與試驗值的變化規(guī)律相近，總傳熱系數(shù)都隨著流速的增大而增大，且增大趨勢基本一致。分析結(jié)果表明，總傳熱系數(shù)的數(shù)值模擬值與試驗值的最大偏差為14.78%，最小偏差為5.7%，平均偏差為9.71%。由此可見，數(shù)值模擬值與試驗值的基本偏差在15%以內(nèi)，數(shù)值模擬結(jié)果能較好地反映實際傳熱情況。

圖10 板式熱交換器總傳熱系數(shù)試驗值和模擬值變化曲線

（2）流動阻力 不同流速下冷、熱側(cè)流動阻力數(shù)值模擬值與試驗值關(guān)系曲線見圖11。由圖11可知，流動阻力的模擬值與試驗值的變化趨勢接近，壓降隨冷、熱流體進(jìn)口速度的增大而增大，壓力增加值與進(jìn)口速度的平方成正比。分析結(jié)果表明，冷側(cè)壓力的數(shù)值模擬值與試驗值的最大偏差為16.4%，最小偏差為 2.5%，平均偏差為9.8%；熱側(cè)壓力的數(shù)值模擬值與試驗值的最大偏差為18%，最小偏差為4.7%，平均偏差為13.3%。因此，本文數(shù)值計算在一定程度上是可靠的。

圖11 不同流速下板式熱交換器冷熱側(cè)流動阻力數(shù)值模擬值與試驗值關(guān)系曲線

誤差產(chǎn)生的原因主要有：①數(shù)值模擬所用模型進(jìn)行了一定的簡化，數(shù)值模型由1個冷通道和1個熱通道以及1個鼓泡板組成，試驗所用換熱器樣機(jī)是由多張板片組成的多冷、熱流體流道模型，模型的差異會產(chǎn)生一定的誤差。②數(shù)值模擬所用板片模型進(jìn)行了一定的簡化，與實際模型存在一定的偏差，且模擬認(rèn)為板片是光滑的，板片粗糙度不同對流動阻力也會造成一定的影響。因此，可認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果與試驗值之間的偏差在允許范圍之內(nèi)，數(shù)值計算在一定程度上能夠反映該類板式熱交換器的實際流動及傳熱狀況。

3 結(jié)論

采用數(shù)值分析方法，對新型鼓泡形板式熱交換器冷、熱兩通道進(jìn)行流動及換熱模擬，分析冷、熱兩側(cè)的流動及換熱性能，得到如下結(jié)論：

（1）由于傳熱板特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，造成板式熱交換器冷熱兩通道的流通截面不同。因此兩側(cè)的湍流強(qiáng)度及換熱都不同。分析結(jié)果表明，在相同的流速下，冷側(cè)介質(zhì)的湍流強(qiáng)度高于熱側(cè)，所造成的壓力損失也高于熱側(cè)。

（2）在熱側(cè)介質(zhì)通道，由于扭曲泡相互接觸造成阻擋作用，使熱介質(zhì)無法跨越而只能沿板片縱向流過，并未形成強(qiáng)烈的擾流作用，相較于冷側(cè)，傳熱效果較差，建議優(yōu)化。

（3）將數(shù)值分析結(jié)果與試驗值進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)板式熱交換器總傳熱系數(shù)及壓降模擬值與試驗值偏差不大，驗證了數(shù)值分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，認(rèn)為數(shù)值分析可用于指導(dǎo)工程應(yīng)用。